注塑机双曲肘合模机构的设计

注塑机双曲肘合模机构的设计
学生：
指导老师:
摘要：注塑机关键是合模机构部分。

合模机构是注塑机最重要的机械部件，注塑机的合模机构形式很多，常用的机构主要可分三种：全液压式，液压-机械式，电子机械式。

液压机械合模机构是目前使用最为普遍的合模机构。

液压机械合模机构通常有移模液压缸和曲肘连杆两部分串联而成，习惯上也称为肘杆式合模机构。

在开合模过程中，这种机构能实现慢-快-慢的运动过程，提高了合模速度，节约了能耗并提高了效率[1]。

关键词：合模机构；双曲肘；开合模；液压
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Design Of Clamping Machanism For Plastic Injection Machine
Student：
Teacher：
Abstract: Clamping mechanism is the Key part of the Injection molding machine. Clamping mechanism is the most important component of Injection molding machine, Clamping mechanism has many forms, but commonly used can be divided into three types: hydrostatic transmission, hydraulic-mechanical and electronic mechanical. Hydraulic mechanical is most widely used now. hydraulic-mechanical Clamping mechanism is always consist of Hydraulic cylinder and song cubits connecting rod. It also be called Cubits long pole type shut the mould institutions.In the process of combining a model , this mechanism can achieve slow -fast-slow ‘s speed movement process; improve the speed of spotting and it also can save energy consumption and Improve efficiency.
Keyword: Clamping Mechanism; Hyperbolic cubits; Spotting; Hydraulic
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目录
摘要 (1)
关键字 (1)
1 前言 (1)
1.1 液压技术的发展趋势 (1)
1.2 注塑机的现状与发展 (2)
1.3 研究意义 (3)
1.4 国内外研究现状 (3)
2 锁模装置 (4)
3 合模装置的形式 (5)
3.1 液压式合模装置 (5)
3.1.1 直压式合模装置 (5)
3.1.2 增压式合模装置 (6)
3.1.3 稳压式合模装置 (6)
3.1.4 充液式合模装置 (7)
3.2 液压-机械式合模装置 (7)
3.2.1 单曲肘合模装置 (7)
3.2.2 双曲肘合模装置 (7)
3.3 电动机械式合模装置 (8)
3.4 液压式合模机构与液压-机械式合模机构的对比 (9)
3.5 方案的确定 (10)
4 各种可能方案的形成 (10)
5 PT80B注塑机的设计参数 (11)
6 铰链尺寸的确定 (12)
7 铰链的受力分析 (13)
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7.1 L1的受力分析 (13)
7.2 L2的受力分析 (14)
7.3 L3的受力分析 (14)
8 机械保险装置 (15)
9 锁模装置中关键受力部件的强度校核 (15)
9.1 关键受力部件的强度校核 (15)
9.1.1 机铰部分强度校核 (15)
9.1.2 四根拉杆 (16)
9.1.3 大锁轴、小锁轴 (16)
9.1.4 模板 (19)
9.1.5 顶出活塞杆 (19)
9.1.6 主/副顶出杆 (19)
10 结论 (20)
参考文献 (20)
致谢 (20)
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1 前言
1.1 液压技术的发展趋势
液压传动作为一种传动方式，由于具备功率密度高，结构小巧，配置灵活，组装方便，可靠耐用等独到的特点，已成功地用于一切需要中等以上功率输出，且需对运动过程进行灵活控制和调节的地方，是现代化传动与控制的关键技术之。

21世纪是一个高度自动化的社会，随着科技的发展和人类的新需要，大型智能型行走机器人将应运而生。

资料表明，液压技术作为能量传递或做功环节是其中必不可少的一部分。

故无论现在还是将来，液压技术在国民经济中都占有重要的一席之地，发挥着无法替代的作用。

现代液压技术与微电子技术、计算机控制技术、传感技术等为代表的新技术紧密结合，形成一个完善高效的控制中枢，成为包括传动、控制、检测、显示乃至校正、预报在内的综合自动化技术。

它是中大功率机械设备实现自动化不可缺少的基础技术，应用面极其广泛。

未来我国液压技术的发展方向将主要集中在静液压传动及负荷传感技术、电液伺服比例技术、气动智能及模块化集成应用技术、液压系统污染控制及密封技术及计算机技术等领域，同时液压产品也将呈现高压化、小型化、集成化和复合化的特点。

[2] 1.2 注塑机的现状与发展
从五十年代技术创新推出了螺杆式塑料注射成型机至今已有五十多年的历史。

目前在工程塑料业中，80%采用了注射成型。

近年来由于汽车、建筑、家用电器、食品、医药等产业对注射制品日益增长的需要，推动了注射成型技术水平的发展和提高，出现了以注射制品为主导的新格局。

我国塑料机械的年销售额平均在50亿元人民币左右，以台数计约合8.5万台。

其中40%是注射成型机产品。

从美国、日本、德国、意大利、加拿大等主要生产国来看，注塑机的产量都在逐年增加。

塑料注射成型机的技术水平及发展趋势，从注塑机问世起，锁模力在1000～5000KN，注射量在50～2000g的中小型注塑机占绝大多数。

到了七十年代后期，由于工程塑料的发展，特别是在汽车、船舶、宇航、机械以及大型家用电器方面的广泛应用，使大型注塑机得到了迅速发展。

美国最为明显。

在1980年全美国约有140台10000KN 以上锁模力的大型注塑机投入了市场，到1985年增至500多台。

日本名机公司已经成功地制造了当今世界最大的注塑机，其锁模力达到120000KN，注射量达到92000g。

八十年代以来，CAD/CAE/CAPP/CAM计算机应用技术在塑机制造业的广泛采用，促进了我国注塑机研发和制造水平的高速发展。

以宁波海天股份有限公司为代表的一批
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国家级高新技术企业都相继引进了美国U.G.S和PTC公司的计算机辅助设计和分析等软件。

实现了三维立体参数化建模，机构运动仿真，对主关件进行有限元分析，对高应力区的应力分布、应力峰值、危险区域等进行准确的计算。

帮助设计人员迅速地了解、评估和修改设计方案。

保证重要零件结构合理性和可靠性达到完美结合。

针对机械式锁模部件的运动和动力学特征进行参数优化，绘制特性曲线图，通过曲线的分析比较，找到一个速度和力变化的最佳点，保证合模机构省力、快速、节能、平稳、低噪音，同等条件下系统的刚性最好。

对注射部件的设计能根据用户使用的制品材料，几何形状特征，日产量合理地选择螺杆直径、长径比、压缩比等主参数。

经参数优化确定螺杆全部最佳几何参数。

在整机概念设计方面，全面推行了系列化、通用化、组合化、模块化、标准化的现代设计方法，规范产品系列型谱。

努力提高零部件通用化程度，用发展变型产品和特殊机、专用机来满足不同用户的需求。

建全通用零部件、单元和模块的数据库。

对市场应变保持着很高的敏捷反应能力。

为了保证高质量的设计输出到高质量的产品输出，旧的加工方式已经很难适应技术、质量竞争的要求。

海天公司按照滚动发展的科学方法，累积投资2亿元人民币组建了加工中心分厂。

新建了5万平方米的大型装配分厂。

10万平方米的钣金和结构件加工分厂。

新建了一万平方米的试验车间和实验室。

新建了5928个库位的立体自动仓库。

购置了德国OKUMA二条柔性加工线，加入到40多台加工中心组成的机群中。

实施了国家863计划--浙江海天CIMS工程，成功应用K3系统，实现了生产计划、物料、成本等计算机集成管理。

引进IMAN系统实现了产品技术数据创建和跟踪，产品结构和版本，产品属性和关联数据的查询和向K3系统的信息传递等计算机集成管理。

[3]
1.3 研究意义
随着塑料工业的发展，塑料制品在各行各业中都有越来越广的应用。

当今，在一些高新尖端技术上，各种塑料制品的技术要求越来越高，壁厚超薄、外形尺寸超精密、重量超清，以及生产加工时的超高速循环、对价格昂贵的模具有很好的保护等要求，不但对注射成型加工工艺方法提出高的要求。

锁模装置是注塑机的最主要的部件，它在合模速度、合模精度、锁模力上达到相关的要求才能满足这些制品的生产，因此在传统液压、三模板、有拉杆注塑机锁模装置的基础上开发了全电动、二板式、无拉杆注塑机等注塑机新机种。

[4]
1.4 国内外研究现状
注塑机的锁模装置，伴随着50年代注塑机的出现，结构就一直在不断创新发展。

最由最初的直压式至70年代末出现了肘杆式、单缸充液式等。

当时这类锁模装置得到
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了快速的发展，但一直受到既要锁模力大，又要快速、节能这一矛盾的制约。

尽管全液压式注塑机存在液压油的可压缩性问题，但是液压在静止的时候压力处处相得，所以模板和模具受力都相当均匀，而且具有开合模精度，不需调模，不需加润滑，磨损较少，开合模行程长等特点。

这些与单缸液压式锁模机构相比，已经得到了非常快的发展。

80年代末我国广东顺德泓利机器有限公司开发的四缸差动注塑机，是世界上第一台外循环直压型两板机的雏型。

其后他们在此基础上开发出了全液压四缸直锁二板式注塑机。

该机采用了独特的合模机构和液压系统，实现了锁模力和注射力的自适用和模具定位的自适用，使产品具有节能、精密可靠、运行平稳等诸多优点。

在国内的精密注塑机发展史上具有非常重要的意义。

目前这种合模机构已经被应用到新开发的光盘注塑机上。

80年代末5铰点斜排列肘杆式的发明充分展示了肘杆式注塑机的优点。

电动式注塑机起步较晚，从20世纪80年代开始发展起来。

日精树脂公司于1983年率先向市场推出型号为MM5电动式注塑机。

由于伺服电动机的成熟应用和价格的大幅度下降，近年来全电动式注塑机越来越为市场青睐，越来越多的注塑机商，如日精、法那克、东洋机械金属公司、新泻铁工所、住友、等公司，都进行了开发和生产，但是主要厂家还是集中于日本。

90年代初以德国为首的欧洲推出了许多新的全液压式注塑机，其中二板直压式是这类结构的代表。

而日本却把重点放在开发全电动式注塑机上，并取得了相当大的成果。

由著名的加拿大Engel公司首先开发成功的无拉杆注塑机，标志着注塑机的发展又上了一个新的水平。

[5]
2 锁模装置
锁模装置是保证成型模具可靠地闭合、实现模具开闭动作以及顶出制品的部件。

锁模装置主要由固定模具的前固定模板、移动模板和连接前后固定模板的拉杆、锁模油缸、制品顶出装置等组成。

锁模装置是注塑机的重要组成部分之一，它的主要任务是提供足够的锁模力，使其在注射时，保证模具可靠锁紧；同时，在规定的时间内以一定的速度闭合和打开模具；顶出制品，它的结构和性能不仅影响制件的质量而且影响机器的生产效率。

因此，对锁模装置有以下要求：
1)应有足够大的锁模力；保证模具在注射时不致因模腔压力的作用而张开，以免
形成溢边，影响制品精度。

2)应有足够大的模板面积，模板行程和模板间距，以适应成型不同尺寸和不同形
状的制品要求。

3)应有较高的开模和闭模速度，在闭模时，应该先快后慢；在开模时，应该先慢
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后快，而后再慢。

以满足制品顶出平稳，模板运行安全以及生产效率高的要求。

4)应有制品顶出调节模板间距和侧面抽芯等附属装置。

5)结构应尽量简单紧凑、便于维修。

锁模装置的形式可根据实现锁模力的方式不同将其分为机械式、液压式和液压-机械式等三种；按结构方式来分又可分为立式和卧式。

结合此次所要设计机型对锁模装置的要求，选择了卧式液压型。

注塑机的锁模结构形式有多种，但是不管怎样的形式，锁模机构必须能达到额定锁模力，有尽快的移模速度和有足够的模板行程。

注塑机的锁模装置主要由锁模机构、调模装置、顶出装置、连杆结构、安全保护装置、模板、拉杆等组成。

后模板及前模板由四根拉杆和螺母锁紧构成受力封闭的的整体框架、模具的动、定模分别固定在后模板和前模板上，动模板在锁模液压缸的作用下，通过锁模机构带动模板沿拉杆实现启模运动，并产生锁模力。

启模后由顶出装置将模具中的制品顶出；模具厚度的调整由调模装置来实现。

此次设计节能型注塑机的锁模机构采用肘杆式。

且为双曲肘五连杆内翻式。

锁模时锁模液压缸通过两个对称的曲肘连杆机构将模板快速前移，在模具将闭合时，曲肘连杆撑直使锁模机构产生系统弹性变形，达到锁模力。

此种形式在中小型注塑料机上应用较普遍。

此外，此种结构紧凑，系统刚性好，有力的放大特性，省能，当模具接近闭合时，有自动减速的功能。

这些都符合设计意图。

锁模装置的作用有三方面：
1)保证模具可靠地安装、固定和调整；
2)实现快速开闭模运动、低压低速安全闭模保护模具和高压锁模；
3)顶出制品。

[5]
3 合模装置的形式
合模装置的分类方式有很多：按照主模板的数目可分为三板式和两板式；按照合模架形式可分为有拉杆式和无拉杆式；按外形特征分为立式和卧式合模机构；按锁模力的实现方式可分为全液压式、液压机械式和电动式合模机构。

3.1 液压式合模装置
全液压式合模机构可分为直压式、增压式、稳压式和充液式。

3.1.1 直压式合模装置
直动式合模机构的特点是启闭模动作和合模力的产生都由合模油缸直接完成，这
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是一种非常简单的合模机构。

合模机构的合模动作由液压油作用在活塞上来实现，锁模动作由液压油升压来完成。

这种合模机构不满足合模机构的运动特性，耗能大，精度低，目前已经很少应用。

图1单缸直压式机构
Fig 1 Direct compression cylinder body
3.1.2 增压式合模装置
增压式合模机构是由合模油缸、充液阀、稳压油缸和增压缸组成。

合模时压力有进入合模油缸1中，动模板随合模油缸活塞一并运动，使模具合闭。

锁模时，增压油缸2进入高压油，使增压油缸的活塞杆向合模油缸1中推进，由于活塞与活塞面积差的作用，造成两端的压力差，使合模油缸中的压强提高，达到额定合模力。

锁模力的大小与增压油缸、合模油缸的结构有关，因而此类合模机构的锁模力受液压系统和密封的限制，固增压有限，主要用于中小型注塑机。

3.1.3 稳压式锁模机构
稳压式锁模装置的特点是使用了小直径快速易模油缸和大直径短行程的稳压油缸。

其工作原理是当快速闭模时，压力油进入闭模油缸的D室，推动动模板快速前移。

当模具靠拢后，带有螺纹的两块闸板将带有外螺纹的闭模油缸抱合住，然后向锁模油缸的B室通入压力油，由于锁模油缸的直径较大，产生了很大的锁模，它通过锁模活塞、闸板和闭模油缸传递到动模板上，使模具可靠锁紧。

开模时，B室和D室与回油路接通，闸板和闭模油缸脱离，压力油进入闭模油缸的A室，动模板便迅速后移。

可见，锁模活塞的作用就是产生足够的锁模力。

由于锁模油缸的活塞行程很短，所以，可以减轻机器的重量，缩短升压时间，但它更适合应用与3000-5000KN以上的锁模装置，
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故不符合所设计机型的要求。

图2稳压式锁模机构
Fig 2 Regulator-type mode-locked body
3.1.4 充液式合模装置
充液式合模装置能够满足注塑机对合模装置提出的速度和力的要求，实现了快速移模和加大锁模力。

合模时，液压油首先进入快速移模液压缸1内实现快速移模，当模具合紧时，高压油进入锁模液压缸2内实现模具的可靠紧闭；开模时，液压油进入到锁模液压缸的右端实现快速开模。

在快速移模时，锁紧活塞跟着动模板快速移动，进而造成锁模液压缸内供油不足形成负压，充液油箱3内的油就进入到锁模液压缸内。

3.2 液压-机械式合模装置
液压机械式合模机构是目前使用最为普遍的合模机构。

液压机械式合模机构通常有移模液压缸和曲肘连杆两部分串联而成，习惯上也称为肘杆式合模机构。

它是通过液压系统驱动曲肘连杆机构来实现模具的启闭和锁紧。

它可以用很小的液压缸推力，通过肘杆机构的力的放大作用来获得较大的锁模力。

在开合模过程中，这种机构能实现慢-快-慢的运动过程，提高了合模速度，节约了能耗并提高了效率。

按照肘杆机构类型和曲肘个数，可将肘杆式合模机构分为单曲肘、双曲肘及其它特殊型。

3.2.1 单曲肘合模装置
单曲肘合模装置由模板，拉杆，单曲肘机构，顶出和调模装置，移动油缸等组成。

模具的开合动作时压力油推动油缸活塞使曲肘机构伸直或回曲来实现的。

其特点是结
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果简单、外形尺寸小、制造容易，主要用于1000KN小型机上。

3.2.2 双曲肘合模装置
双曲肘合模机构由模板、拉杆、双曲肘机构、顶出和调模装置，移动油缸等组成。

其特点是：增力作用大、机械机构复杂、模板行程较短。

3.3 电动机械式合膜装置
全电动式锁模机构有肘杆式和直杆式两种，目前应用最多的是肘杆式，即电动机械式锁模机构。

电动机械式锁模机构是指使用伺服电动机，配以滚珠丝杆，齿形带等元器件来驱动的锁模机构。

与液压——机械式锁模机构相比，它只是用伺服电动机，滚珠丝杆来代替原来的液压系统，因此力学特性和运动特性与液压——机械锁模机构。

电动机械锁模机构有全电动机械锁模机构，及以电动驱动为主，液压驱动为辅的电动机械锁模机构两种。

目前全电动机械锁模机构是电动机械锁模机构的主要类型，整个机构的开模，调模，锁模，及定出动作均采用伺服电机来执行。

近年来，随着高精度薄壁注塑件应用范围和需求量的扩大，以及绿色环保意识的日益增强，电动式锁模机构以其优越的性能得到了认识。

相比液压式锁模机构，电动式锁模机构具有如下明显的优势：
（1）节能
节能目前是衡量一台机器性能的重要指标。

传统的液压传动机械，由于全部动作都需通过油路来实现，因此必然会存在油压，管道，阀等所造成的损失。

据统计，液压式注塑机由高压节流造成的能量损失高达36﹪～68﹪，而且油压系统在待机状态下仍有上述损失。

在注塑产品的成本过成中，电费也占了相当的比例，注塑机的液压泵电动机耗电两量占整个设备耗电量的比例高达50﹪～65﹪.因此非常有必要进行节能。

电动式锁模机构将伺服电动机的旋转运动通过滚珠丝杆转成直线运动进行驱动，实现锁模机构的开锁模，而滚珠丝杆的摩擦阻力远低于液压缸，因此整个效率要超过液压机械。

（2）控制精度和重复精度高
相对于液压式锁模机构，全电动式锁模机构避免了因液压油可能的泄漏，和液压油特征参数随温度变法造成精度控制的下降。

滚珠丝杆具有精度高，重复性高等特点，因此比较容易实现精度控制，进行精度注射。

由于伺服电动机本身转矩大而且控制精度高，滚珠丝杆与锁模系统刚性连接；因此保证了开锁模动作的速度，位置及运动推力的精度的相应提高。

滚珠丝杆位置精度控制可以提高达到0.003mm，控制了模板在运动中惯性产生的位移偏差，提高了低压护模的可靠性和响应精度，进一步保护了精密
模具。

对液压式锁模机构来说，由于液压油的很多物理性能随环境变法较大，因此精度就得不到保障。

（3）效率高
最能直接体现电动式锁模机构效率的就是精度和速度。

日本住友公司Se-Di-rect 系列锁模机构的开锁模最高速度可以达到1200mm∕s。

锁模动作的高精度使高速、低压动作距离加长，锁模速度更快，因此效率也更高。

对于全电动式锁模机构，开锁模和顶出都是又各自的伺服电动机完成，因此各个动作之间没有相互影响，可以同步进行减少了顶出动作的时间。

电动式锁模机构不会像液压式锁模机构那样，因液压原件的老化、腐蚀或因污染进入等原因，造成精度下降，影响机器的性能。

电动注塑机本身动作的重复精度很高，性能稳定，对制品的精度要求有保证。

（4）环保清洁
伺服电动机噪声低、惯性低，速度易控制。

一般全电动式注塑机比液压式注塑机的噪声低10～15Db.全电动事锁模机构不存在液压系统的漏油、换油，液压原件的更换等问题，因此比较适合环境清洁有一定要求的医疗、IT制品的生产。

电动式锁模机构以其优越的特性获得了人们的认可，但是问题同样存在。

电动式锁模机构是由伺服电动机和滚珠丝杆取代液压机械式锁模机构的液压传动系统，因此肘杆式锁模机构存在的问题在电动式锁模机构中仍然存在，如加工精度要求高、易磨损、调模困难等。

同时伺服电动机和滚珠丝杆的应用也带来一些新的问题：
1)采用伺服电动机带动滚珠丝杆，滚珠丝杆的磨损会导致精度的下降。

2)机器的制造装配精度不高或模具安装面不平行，那么在滚珠丝杆上就会出现一
个附加的径向力，会加速滚珠丝杆的磨损。

3)如果肘杆未完全撑直就开始注射，当成型面积较大时就有很大的轴向力作用在
滚珠丝杆上，超载时就有可能导致损坏。

因此电动式锁模机构在使用寿命上不如液压式锁模机构。

[5]
3.4 液压式合模机构与液压-机械式合模机构的对比
但从技术角度，全液压式合模机构与肘杆式合模机构还是有一些区别的。

表1 PT-80型注塑机液压式合模机构与液压-机械式合模机构的对比Table 1 PT - 80 type injection mold institutions and the hydraulic and mechanical and hydraulic -
comparison of mold institutions
`` 肘杆式全液压式
移动速度速度较快，在整个移模行程中是变化速度较慢，在整个移模行程中，速
的，并处于较高的速度度可设定为常数
移模力、锁模力与构件的材料、尺寸精度、质量、在整个行程范围内，移模力和
肘杆式全液压式
速度有关，对锁模力有放大作用锁模力均为常数
对模具适应性调整要求高，合模力的调整与显示较
复杂对不同高度的模具，易于适应，因施力于模具中心且均匀，模具的使用寿命长
系统刚性自锁性噪音合模状态机械系统刚性较好，在胀模
力作用下，产生追加合模力，允许适
量短时间的超载工作
合模后曲肘连杆进入自锁，液压油可
卸掉，节能
开合模时，易产生启动的机械噪音
合模状态液压刚性较弱，难于产生
追加合模力，超载时制品易形成飞
边
不能自锁，一般要继续供应液压
油，能耗较大
在合模稳定时，易产生流体噪音
3.5 方案的确定
基于以上分析，有两种方案可行：方案一是全液压式，方案二是液压-双曲肘合模机构。

通过对各种机构的优缺点的分析和国内形式，并对上述技术层面的分析，决定设计为双曲肘机构的合模装置形式。

此套合模装置是卧式液压-机械式的。

4 各种可能方案的形成
就本机构而言, 属自由度为瓦特六杆链系, 与此等效的还有史蒂芬逊链系。

通过链系杆件功能转换、铰点高低副替代这种双曲肘机构是一种较理想的类型。

机构类型确定后, 通过分析, 涉及机构布置方案的形表, 及摆动形式的形态综合态有位置角, 机构形状角及机构摆动形式三个要素。

将要素形态这些要素进行形态综合可得到各种可能的机构方案如表正零负所示。

从理论上讲存在种不同方案, 但实际上外摆与内, 正零负摆式存在俩俩对应关系, 具有相同的计算公式及效果, 故只摆动形式内摆外摆有种独立方案如图所示。

续表1。